第 1 章数控加工系统

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第第 11 章数控加工系统章数控加工系统

（时间： 3 次课， 6 学时）


第第 11 章数控加工系统章数控加工系统教学目标：数控是“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”。

数控加工就是用数控机床加工零件，它是在传统加工基础上发展起来的，是伴随数控机床的产生而逐步发展起来的一种应用技术。数控加工与通用机床加工在方法和内容上有许多相似之处，而不同点主要表现在控制方式上。用数控机床加工时，编程人员要把加工过程的一切内容，按规定的代码形式编排程序，经输入装置传输到数控系统，进行运算和控制，实现机床的各种动作，自动加工出所需要的零件形状。

数控加工系统指由数控机床以及与其配套的刀具系统和夹具系统组成的工艺系统，是实现数控加工的物质基础。

通过本章的学习，要求读者了解数控加工的优点、数控机床的性能指标、数控机床的组成和一些典型结构、刀具及夹具系统。掌握数控加工的基本过程。



教学重点和难点：数控加工的基本过程。数控机床的结构与性能。数控加工系统。



1.1 数控加工及其特点 1.2 数控机床的工作原理及性能指标 1.3 数控机床的典型机械结构 1.4 数控刀具系统 1.5 夹具及对刀工具简介 1.6 数控加工技术的发展 1.7 实训 1.8 习题


1.1 1.1 数控加工及其特点数控加工及其特点数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到

国家战略地位和体现国家综合实力的水平。它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。

用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控 (Numerical Control ， NC) 机床。在数控机床上加工零件时，一般是先编写零件加工程序单，即用程序规定零件加工的路线和工艺参数 ( 如主轴转速、切削速度等 ) ，数控系统根据加工程序自动控制机床的运动，将零件加工出来，区别于传统加工方式中的依靠手工操作控制机床运动。

数控加工经历了半个多世纪的发展，已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术的基础。数控加工的最大特征有两点：一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度。因为加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的，所以可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致；二是可以极大地改善劳动条件。具体地说，数控加工具有如下优点。

(1) 可以加工具有复杂型面的工件。在数控机床上，所加工零件的形状主要取决于加工程序，因此，只要能编写出程序，无论工件形状多么复杂都能加工。


1.1 1.1 数控加工及其特点数控加工及其特点 (2) 提高加工精度并且保持加工质量。数控机床本身的精度比普通机床高，一般数控

机床的定位精度为±0.01mm ，重复定位精度为±0.005mm 。而且在数控机床的加工过程中，避免了操作人员的人为误差。

(3) 提高生产效率。通过合理选择切削用量，充分发挥刀具的切削性能，可以减少零件的加工时间。另外，传统机床需要用多道工序完成的工件，用数控加工可以一次装卡完成，减少了各道工序间的周转，减少了辅助加工时间。

(4) 生产准备周期短。数控加工可以省去一些专用工装卡具，节省了大量的准备时间。 (5) 容易实现操作过程的自动化。一个人可以操作多台机床，同时，很容易和 CAD/

CAM系统结合起来实现设计制造过程一体化，实现由计算机对多台机床的控制，建立网络化管理的制造过程。

(6) 改善了劳动条件和环境。数控加工极大地减轻了体力劳动强度，同时，数控机床的安全防护以及防粉尘污染措施较普通机床加工有很大的进步，极大地改善了劳动环境，也减轻了加工所造成的环境污染。

数控加工与传统加工方式相比，其优势是毋庸置疑的，与此同时，数控加工的应用和普及，也为我们提出了更高的要求。首先，由于数控加工设备大都综合了机、电、液和计算机技术，对使用和维修人员的技术要求较高；其次，数控设备一般价格贵，因此设备投资较大。不过这些都是暂时的问题，随着数控加工技术的日益迅猛发展，现阶段的这些问题会得到解决的，并且伴随着制造业信息化的进程，数控加工的优势会更加突出。


1.2 1.2 数控机床的工作原理及性能指标数控机床的工作原理及性能指标

1.2.1 数控机床组成及工作原理 1.2.2 数控机床的分类及性能指标


1.2 1.2 数控机床的工作原理及性能指标数控机床的工作原理及性能指标

数控机床是一种装有程序控制系统的机床，程序控制系统逻辑地处理具有特定代码或其他符号编码指令规定的程序，机床执行部件执行程序发出的动作指令，从而完成零件的加工。本节重点介绍数控机床的组成及工作原理，按照不同方式对数控机床的分类以及数控机床的主要性能指标。


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理如图 1.1 所示是某数控机床的整体外形结构。

图 1.1 某数控机床整体外形图1— 操纵面板； 2— 主轴及卡盘； 3— 转塔刀架； 4— 防护窗； 5— 自动排屑装置； 6— 导轨


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理

数控机床通常由程序输入、数控系统和机床本体等部分组成。如图 1.2 所示是采用计算机数控装置的数控机床组成框图，虚线框内的部分属于数控系统。数控机床的功能强弱主要由数控系统来决定，因此它是数控机床的核心部分。



入

图 1.2 数控机床组成框图



1. 程序输入数控程序是以特定代码表示的零件加工工艺过程，程序输入就是把数控

加工程序通过某种装置和方式输送到数控装置中，最初数控加工程序的输入是用纸带、磁带及其相应的阅读机实现的，现在普遍应用的是键盘直接输入、磁盘输入、串口以及以太网通信方式输入。

键盘直接输入，就是把编好的数控程序用手工通过键盘输入到数控装置内，这种方法的弊病是效率低、占用机时长、易出错。

利用串行端口以及以太网通信方式输入数控加工程序正越来越得到广泛的应用，它是实现数控机床联网以及计算机集成制造所必需的途径。


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理 2. 数控系统一般地说，数控系统由操作面板、输入输出接口、数控装置、可编程控制器、伺服驱动系

统组成。 (1) 操作面板一般的数控系统操作面板划分为显示器、 NC键盘、功能键、机床控制面板。 NC键盘用

于零件程序的编制、参数输入、MDI及系统管理操作等；功能键中的每个功能包括不同的操作菜单，采用层次结构；机床控制面板用于直接控制机床的动作或加工过程。有的数控机床还有“手轮”，它由手摇脉冲发生器、坐标轴选择开关组成。

(2) 输入输出装置输入装置可将不同加工信息传递给数控系统计算机的存储单元。在数控机床产生的初期，

输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前使用的键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。

输出装置指输出系统内部的工作参数 (含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等 ) ，一般在机床刚进入工作状态时需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始记录资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。

(3) 数控装置数控装置是数控机床的运算和控制系统，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现

对数控机床各功能的指挥工作。一般由输入输出接口、存储器、控制器、运算器及相应的软件等组成。


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理输入接口接受输入介质或操作面板上的信息，并将信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，

作为控制和运算的原始依据。控制器根据输入的指令控制运算器和输出接口，使机床按规定的要求协调地进行工作。运算器接受控制器的指令，及时地对输入数据进行运算，并按控制器的控制信号不断地向输出接口输

出脉冲信号。输出接口则根据控制器的指令，接受运算器的输出脉冲，经过功率放大，驱动伺服系统，使机床按规

定要求运动。 (4) 可编程控制器可编程控制器 (PLC) 是一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，

是实现机电一体化的理想控制装置。它在机床上主要完成M、 S、 T功能动作的控制，即除了进给运动以外的辅助运动，目前， PLC 在机床上的功能正在逐渐扩大。例如，用它直接控制坐标轴。

在中、高档数控机床中， PLC 是 CNC 装置的重要组成部分。其作用是：接收来自零件加工程序的开关功能信息 (辅助功能M、主轴转速功能 S、刀具功能 T，如控制主轴转速、主轴正反转和停止、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作 ) 、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的联锁。

数控机床的 PLC 有两种类型，即内装型和独立型。内装型 PLC 与 CNC 其他电路同装在一个机箱内，共用一个电源和地线。 PLC使用 CNC 装置本身的 I/O接口电路。采用内装型 PLC 造价低，具有较高的性价比。

独立型 PLC 装置和 CNC均有自己的 I/O接口电路，需将 PLC 与 CNC 装置以及 PLC 与机床侧对应的 I/O信号的接口电路连接起来。 CNC 的控制功能易于扩展，但在性价比上不如内装型 PLC 。


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理通常，单微处理器的 CNC 装置采用内装型 PLC 为多，而独立型 PLC 主要用在多微处理器

CNC 装置上。 (5) 伺服驱动系统伺服驱动系统简称伺服系统 (Serve system)包括驱动单元和伺服电机，是一种以机械位

置或角度作为控制对象的自动控制系统。它是把来自数控装置的脉冲信号经驱动单元放大后给电机，带动机床移动部件的运动，使工作台 ( 或溜板 )精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，以加工出符合图纸要求的零件。对于数控机床，如果说 CNC 装置是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的“指挥机构”，那么伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，准确地执行由 CNC 装置发出的运动命令。如图 1.3 所示是某伺服进给驱动单元和伺服电机。

数控装置每发出一个脉冲，伺服系统驱动机床运动部件沿某一坐标轴进给一步，产生一定的位移量，这个位移量称之为脉冲当量。常用的脉冲当量为每脉冲 0.001～ 0.01mm 。显然，数控装置发出的脉冲数量决定了机床移动部件的位移量，而单位时间内发出的脉冲数 ( 即脉冲频率 )则决定了部件的移动速度。



图 1.3 伺服进给驱动单元和伺服电机


1.2.1 1.2.1 数控机床组成及工作原理数控机床组成及工作原理对于闭环控制系统，则还包括工作台等机床运动部件的位移检测装置。检测反馈装置由检测元件和相

应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。

伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、定位精度等重要指标，均取决于进给伺服系统的静、动态特性。

伺服驱动系统的分类如下。 ① 按控制对象和使用目的的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。

其中，进给伺服系统用于控制机床各坐标轴的切削进给运动，是一种精密的位置跟踪、定位系统，它包括速度控制和位置控制，是一般概念的伺服驱动系统。

而主轴伺服系统用于控制机床主轴的旋转运动和切削过程中的转矩和功率，一般只以速度控制为主。辅助伺服系统用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用

简易的位置控制。 ② 按伺服系统调节理论分类，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。 ③ 按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。其中，电气控制系统

按所用驱动元件的类型，又有步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流电动机驱动伺服系统之分。

④ 按反馈比较控制方式，数控机床的进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统之分。



3. 机床本体数控机床的本体，包括床身、主轴、进给传动机构等机械部件。数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，但也作了许多改动和提高，

如采用轻巧的滚珠丝杠进行传动，采用滚珠导轨或贴塑导轨消除爬行，采用带有刀库及机械手的自动换刀装置来实现自动快速换刀，以及采用高性能的主轴系统，并努力提高机械结构的动刚度和阻尼精度等。

在机床加工过程中，如何减少切削热量对加工精度的影响是极为关键的一个问题，对加工精度和速度要求都较高的数控机床来说更是如此。为了减小热变形，数控机床常采取以下措施：采用热对称结构及热平衡措施；对于发热部件 ( 如主轴箱、静压导轨液压油等 )采取散热、风冷、液冷等控制温升；对切削部位采取强冷措施；专门采用热位移补偿，即预测热变形规律建立数学模型存入计算机，来进行实时补偿。



数控机床加工工件的基本过程大致如下。 (1) 编制加工程序。把机床加工过程中所需的全部指令信息，都用

数字化的代码来表示，由编程人员编制成规定的加工程序，这些指令信息包括加工过程所需的各种操作 ( 如主轴变速、主轴启动和停止、工件夹紧与松开、选择刀具与换刀、刀架或工作台转位、进刀与退刀、冷却液开关等 ) 、机床各部件的动作顺序以及刀具与工件之间的相对位移量等。

(2) 程序输入并校验。把程序输入数控装置后，通过校验运行操作并结合刀具轨迹显示功能，对程序进行检查。

(3) 加工零件。通过对机床的正确操作，加工出所需的工件。在此过程中，数控装置根据这些指令信息进行运算与处理，不断地发出各种指令，控制机床的伺服系统和其他执行元件 ( 如电磁铁、液压缸等 ) 动作，自动地完成预定的工作。


1.2.2 1.2.2 数控机床的分类及性能指标数控机床的分类及性能指标

1. 数控机床的分类数控机床种类繁多，主要分类方法如下。 1) 按加工工艺范围分类可分为 3 种。金属切削类：数控车床、数控铣床、数控磨床等；金属成

型类：数控压力机、数控冲床、数控折弯机等；特种加工类： NC线切割机床、 NC电火花成型机床、数控激光切割机等。

2) 按机床有无自动换刀装置分类可分为普通数控机床和加工中心。普通数控机床包括数控车床数控铣床

、数控磨床等；加工中心包括立式加工中心( 如图 1.4 所示 ) 、卧式加工中心、车削加工中心( 如图 1.5 所示 ) 、磨削中心等。加工中心与一般的数控机床相比，其主要特点是带有一个容量较大的刀库 ( 可容纳的刀具数量一般为 10～ 120把 ) 和自动换刀装置。



3) 按控制运动的方式分类 ① 点位控制 ( 或位置控制 ) 数控机床。只能控制工作台 ( 或刀具 )从一个位置 ( 点 )精确地移动到另一个位置 ( 点 ) ，在移动过程中不进行加工，各个运动轴可以同时移动，也可以依次移动。如数控镗床、数控钻床、数控冲床。如图 1.6(a) 所示。

② 直线控制数控机床。这类机床一般有 2～ 3 个可控轴，但同时控制轴只有一个，它只作平行坐标轴的直线进给运动，因此不能加工复杂的工件轮廓，如图 1.6(b) 所示。这种控制方式用于简易数控车床、数控铣床和数控磨床。



图 1.4 立式加工中心1— 刀库； 2— 机械手； 3— 主轴； 4— 操作面板； 5— 数控转台； 6— 工件； 7— 排屑桶



图 1.5 车削加工中心1— 动力刀架； 2— 第二主轴； 3— 转塔刀架； 4— 主轴


1.2.2 1.2.2 数控机床的分类及性能指标数控机床的分类及性能指标 ③ 轮廓控制数控机床。这类机床的特点是能同时对两个或两个以上的坐标轴进行严格的连续控制。它不仅要控制移动部件的起点和终点位置，而且还要控制整个加工过程中每一点的位置和速度。例如：二坐标以上的数控铣床、可加工曲面的数控车床、加工中心等。如图 1.6(c) 所示。

4) 按伺服系统类型分类 ① 开环控制数控机床。这类机床采用开环伺服系统，一般由步进电机、变速齿轮和丝杠螺母副等组成 ( 如图 1.7 所示 ) ，步进电机每接收一个电脉冲信号，它就转过一定角度，从而带动工作台移动一定距离。

② 闭环控制数控机床 ( 如图 1.8 所示 ) 。这类机床采用闭环伺服系统，通常由直流伺服电机 ( 或交流伺服电机 ) 、变速齿轮、丝杠螺母副和位移检测装置组成。从理论上讲，这类机床运动部件的位移精度主要决定于检测装置的检测精度，而与机床传动链的精度无关。

③ 半闭环控制数控机床 ( 如图 1.9所示 ) 。这类机床的伺服系统也属于闭环控制的范畴，只是位移检测装置不是装在机床的工作台上，而是装在传动丝杠或伺服电机轴上。由于丝杠螺母副等传动机构不在控制环内，它们的误差不能进行校正，因此这种机床的精度不及闭环控制数控机床高。

④ 混合环控制数控机床。它是将上述三种形式有选择地集中起来，特别适用于大型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如采用全闭环控制，机床传动链和工作台全置于控制环中，因素十分复杂，难以调试稳定。现在采用半闭环和闭环系统混合控制方式的数控机床越来越多。





图 1.7 开环伺服系统



图 1.8 闭环伺服系统



图 1.9 半闭环伺服系统



5) 按数控系统档次分类按照数控装置的功能水平可大致把数控机床分为低档 ( 经济型 ) 数控机

床、中档数控机床和高档数控机床。大体上可从分辨率、进给速度、伺服系统、同时控制轴数 (联动轴数 ) 、通信功能、显示功能、有无PLC及主 CPU水平等几方面加以区分，见表 1.1 。

6) 按照可联动 ( 同时控制 ) 轴数分类可分为 2 轴控制、 2.5 轴控制、 3 轴控制、 4 轴控制、 5 轴控制等等。

2.5 轴控制是指两个轴是连续控制，第三轴是点位或直线控制。 3 轴控制是三个坐标轴 X、 Y、 Z都同时插补，是三维连续控制，如图 1.10所示。 5 轴连续控制是一种很重要的加工形式，如图 1.11 所示，这时 3个坐标 X、 Y、 Z与转台的回转、刀具的摆动同时联动。




1.2.2 1.2.2 数控机床的分类及性能指标数控机床的分类及性能指标 2. 数控机床的主要性能指标 1) 数控机床的精度指标 ① 定位精度：是指数控机床工作台等移动部件在确定的终点所达到的实际位置的精度。定位误差：移动部件实际位置与理想位置之间的误差。定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等误差。定位误差直接影响零件加工的位置精度。

② 重复定位精度：是指在同一台数控机床上，应用相同程序相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。它是一项非常重要的性能指标。

2) 分辨度与脉冲当量分辨度：是可以控制的最小位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移

动量，一般称为脉冲当量。脉冲当量越小，数控机床的加工精度和表面质量越高。目前：普通数控机床的脉冲当量一般采用 0.001mm；简易数控机床的脉冲当量一般采用 0.01mm；精密或超精密数控机床的脉冲当量采用 0.0001mm 。 3) 数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数是指机床数控装置能够控制的坐标数目。世界上最高级的数控装置的可控轴数已达到 31 轴，我国目前最高数控装置的可控轴数为 9轴。

数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。世界上最高级的数控装置的联动轴数已达到 24 轴，我国目前达到的可联动轴数为 9轴联动。



图 1.10 三轴联动的数控机床



图 1.11 五轴联动的数控机床


1.3 1.3 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构

1.3.1 数控机床主传动系统 1.3.2 数控机床的进给传动系统 1.3.3 数控机床的自动换刀装置


1.3 1.3 数控机床的典型机械结构数控机床的典型机械结构

数控机床是在传统机床的基础上发展起来的，大体结构和传统机床是一样的，但为了适应数字控制的需要以及数控机床的高速度、高精度等方面的要求，数控机床有其特殊的结构。


1.3.1 1.3.1 数控机床主传动系统数控机床主传动系统

1. 数控机床主传动系统的特点 (1) 主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速。这样能使数控机床

进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。通常，数控机床比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右。

(2) 主轴部件具有较大的刚度和较高的精度。因为数控机床的加工通常一次装夹要完成全部或绝大部分切削加工，包括粗加工和精加工。同时，数控机床要能够适应为提高效率的强力切削。

(3) 良好的抗振性和热稳定性。主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。

(4) 为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构。主轴上设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。



2. 数控机床主轴的传动方式 (1) 齿轮传动方式，如图 1.12(a) 所示。大、中型数控机床多采用此方式。它通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。

有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

(2) 带传动方式，如图 1.12(b) 所示。带传动主要应用在小型数控机床上，可克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点，它只能适用于低扭矩特性要求。

数控机床上较多应用的是多楔带，如图 1.13 所示，又称复合三角带，它能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。



图 1.12 数控机床主传动方式



图 1.13 5MS 型号的多楔带


1.3.2 1.3.2 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统

数控机床的进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，它的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度，因此，对数控机床的进给传动系统的结构及性能要求较高。


1.3.2 1.3.2 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 1. 数控机床进给传动系统的结构特点 (1) 采用低摩擦阻力、耐磨性好，精度保持性好的塑料导轨、滚动导轨、静压导轨。尽量实现高速进给时不振动、低速进给时不爬行、能在重载下长期连续工作，并有高的导向精度和足够的刚度。

液体静压导轨 ( 简称静压导轨 ) 是机床上经常使用的一种静压导轨。静压导轨通常在两个相对运动的导轨面间通入压力油，使运动件浮起。摩擦系数极小，功率消耗少。这种导轨不会磨损，因而导轨的精度保持性好，寿命长。但是它的制造成本较高。目前静压导轨一般应用在大型、重型数控机床上。

(2) 平稳、无间隙的传动。广泛应用滚珠丝杠螺母副传动机构。各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除其传动间隙。


1.3.2 1.3.2 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 2. 滚珠丝杠螺母副传动结构 (1) 滚珠丝杠螺母副的特点 ① 摩擦损失小，传动效率高； ② 传动灵敏，运动平稳，低速时无爬行； ③ 使用寿命长； ④ 轴向刚度高； ⑤ 具有传动的可逆性，不能实现自锁； ⑥ 制造工艺复杂，成本高。


1.3.3 1.3.3 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置为完成对工件的多工序加工而设置的存储及更换刀具的装置

称为自动换刀装置 (Automatic Tool Changer ， ATC) 。自动换刀装置可帮助数控机床节省辅助时间，并满足在一次安装中完成多工序、多工步加工要求。

数控机床对自动换刀装置的要求是：换刀迅速、时间短，重复定位精度高，刀具储存量足够，所占空间位置小，工作稳定可靠。


1.3.3 1.3.3 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 1. 自动换刀装置的形式根据其组成结构可分为：回转刀架式、转塔式和带刀库式。 (1) 回转刀架自动换刀装置。其结构类似普通车床上的回转刀架，刀架可设计为四方形、六角形或其他形式，由数控系统发出指令进行回转换刀。回转刀架在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证回转刀架在每一次转位之后具有尽可能高的重复定位精度。

(2) 转塔式自动换刀装置。各主轴头预先装好所需刀具，依次转至加工位置，接通主运动，带动刀具旋转。该方式的优点是省去了自动松夹、装卸刀具、夹紧及刀具搬动等一系列的复杂操作，缩短了换刀时间，提高了换刀可靠性，其缺点是主轴部件的刚性差，且主轴的数目不可能太多。

(3) 带刀库的自动换刀装置。将加工中所需刀具分别装于标准刀柄，在机外进行尺寸调整之后按一定方式放入刀库，由刀具交换装置完成刀库和主轴之间的刀具交换。带刀库的自动换刀装置的数控机床主轴箱和转塔主轴头相比较，主轴部件有足够刚度，因而能够满足各种精密加工的要求。


1.3.3 1.3.3 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置 2. 刀具交换的方式刀具交换的方式通常分为两种。 (1) 无机械手交换刀具方式：它是依靠刀库与机床主轴的相对运动实现刀具交换的。

优点是结构简单，成本低，换刀的可靠性较高。缺点是刀库因结构所限容量不多。这种换刀系统多为中、小型加工中心采用。

(2) 带机械手交换刀具方式：如图 1.17 所示，它是依靠机械手实现换刀动作的，当主轴上的刀具完成一个工步后，机械手把这一工步的刀具送回刀库，并把下一工步所需要的刀具从刀库中取出来装入主轴以便继续进行加工。其优点是换刀时间短，主轴刚度好，加工区空间大。机械手换刀是目前最为常见的一种换刀方式。

刀库形式按结构可分为：圆盘式，如图 1.18(a)～图 1.18(d) 所示，它结构简单，容量小，适于中小型加工中心；链式，如图 1.18(e) 所示，这种刀库容量较大，一般能装 30～ 120把刀具，适于大型加工中心；箱格式刀库，如图 1.18(f) 所示，刀具容量大，适于单元式加工中心。

数控刀具系统在数控加工中具有极其重要的意义，正确选择和使用与数控机床相匹配的刀具系统是充分发挥机床的功能和优势、保证加工精度以及控制加工成本的关键。数控加工用夹具基本上沿用了传统加工的装夹方式，只是在自动化水平、精度和速度等方面有所提高。


1.3.3 1.3.3 数控机床的自动换刀装置数控机床的自动换刀装置

图 1.17 机械手交换刀具方式的数控加工中心





(换刀位置)

图 1.18 不同结构形式的刀库


1.4 1.4 数控刀具系统数控刀具系统

1.4.1 数控刀具的特点 1.4.2 数控刀具的分类


1.4 1.4 数控刀具系统数控刀具系统


1.4.1 1.4.1 数控刀具的特点数控刀具的特点数控加工刀具与普通金属切削刀具相比，应具有以下特点。 (1) 刀柄的强度要高、刚性要好。 (2) 刀片或刀具的热变形小，耐磨性要好。 (3) 刀具应具有较高的精度，包括刀具的形状精度、刀片及刀柄对

机床主轴的相对位置精度、刀片及刀柄的转位及拆装的重复精度。 (4) 刀具应能可靠地断屑或卷屑，以利于切屑的排除。 (5) 刀具应便于调整、互换，以减少换刀调整时间。 (6) 刀片及刀柄高度的通用化、规格化、系列化，以利于编程和刀

具管理。


1.4.2 1.4.2 数控刀具的分类数控刀具的分类 1. 从结构上分整体式、镶嵌式、特殊型式 ( 如减震式刀具、内冷式刀具等 ) 。镶嵌式又可分为焊接式和

机夹式，机夹式根据刀体结构不同还可分为可转位和不转位。目前数控刀具主要采用机夹式可转位刀具。

硬质合金可转位刀片的国家标准采用了 ISO国际标准。为适应我国的国情还在国际标准规定的 9个号位之后，加一短横线，用一个字母和一位数字表示刀片断屑槽形式和宽度。因此，我国可转位刀片的型号，共用 10个号位的内容来表示刀片主要参数的特征。例如，刀片标记“ T N U M 16 04 08 E R A2” 所表示的含义如下。

T：刀片形状——正三角形； N ：后角—— 0°； U：尺寸偏差等级——U级； M：刀片类型——M型 ( 单面断屑槽，紧固方式：有圆形中心孔 )； 16 ：刀刃长度——主切削刃尺寸整数表示，圆刀片用直径表示； 04 ：刀片厚度—— 4.76mm； 08 ：刀尖圆弧半径—— 0.8mm； E：刃口形状——E型； R：切削方向——右切； A2 ：断屑槽型与宽度—— A型，宽度 2mm 。


1.4.2 1.4.2 数控刀具的分类数控刀具的分类 2. 从制造所采用的材料上分 (1) 高速钢刀具。 (2) 硬质合金刀具。目前，硬质合金刀具使用最普遍，涂层硬质合金刀片是在韧性较好的工具表面涂上一层耐磨损、耐溶蚀、耐反应的物质，使刀具在切削中同时具有既硬而又不易破损的性能。常见的涂层材料有 TiC 、 TiN 、 TiCN 、 Al2O3 等陶瓷材料。图 1.19为硬质合金涂层刀片。

(3) 陶瓷刀具。高温强度好，多用于高速连续切削。 (4) 立方氮化硼刀具。超高速加工的首选刀具材料。 (5) 金刚石刀具。金刚石刀具适用于高效地加工有色金属和非金屑材料。

材料的硬度、耐磨性，金刚石最高，递次降低到高速钢。材料的韧性则是高速钢最高，金刚石最低。


1.4.2 1.4.2 数控刀具的分类数控刀具的分类

图 1.19 硬质合金涂层刀片


1.4.2 1.4.2 数控刀具的分类数控刀具的分类 3. 从切削工艺上分 (1) 车削刀具。数控车床一般使用标准的机夹可转位刀具，如图 1.20(a) 、图 1.20(e) 所示。

机夹可转位刀具的刀片和刀体都有标准，刀片材料采用硬质合金、涂层硬质合金以及高速钢。数控车床机夹可转位刀具类型有外圆刀具、外螺纹刀具、内圆刀具、内螺纹刀具、切断刀具、孔加工

刀具 (包括中心孔钻头、镗刀、丝锥等 ) 。机夹可转位刀具夹固不重磨刀片时通常采用螺钉、螺钉压板、杠销或楔块等结构。 (2) 钻削刀具，如图 1.20(f) 所示，分小孔、短孔、深孔、攻螺纹、铰孔等。钻削刀具可用于数控车床、车削中心，又可用于数控镗铣床和加工中心。因此它的结构和连接形式有

多种。有直柄、直柄螺钉紧定、锥柄、螺纹连接、模块式连接 (圆锥或圆柱连接 ) 等多种。 (3) 镗削刀具，如图 1.20(g) 所示，分粗镗、精镗等刀具。 (4) 铣削刀具，分面铣、立铣、键槽铣刀、鼓形铣刀、成形铣刀等刀具。面铣刀 (也叫端铣刀，如图 1.20(h) 所示 ) ：面铣刀的圆周表面和端面上都有切削刃，端部切削刃为副

切削刃。面铣刀多制成套式镶齿结构和刀片机夹可转位结构，刀齿材料为高速钢或硬质合金，刀体为 40Cr 。

立铣刀：立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，它们可同时进行切削，也可单独进行切削。结构有整体式 ( 如图 1.20(i) 所示 ) 和机夹式 ( 如图 1.20(b) 、图1.20(c) 、图 1.20(d) 所示 ) 等，高速钢和硬质合金是铣刀工作部分的常用材料。

模具铣刀：模具铣刀由立铣刀发展而来，可分为圆锥形立铣刀、圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀三种。它的结构特点是球头或端面上布满切削刃，可以作径向和轴向进给。铣刀工作部分常用高速钢或硬质合金材料制造。




1.4.2 1.4.2 数控刀具的分类数控刀具的分类 4. 按刀具系统分现在数控机床的刀具已不是普通机床的“一机一刀”模式，而是多种不同类型的刀具轮换使用，自动换刀。“刀具”已

发展成“数控工具系统”，不同的刀具类型和刀柄的结合构成一个品种规格齐全的刀具系统，供用户选择和组合使用，目前的数控工具形成了两大系统：镗铣类工具系统、车削工具系统。

数控镗铣类工具系统一般由与机床连接的锥柄、延伸部分的连杆和工作部分的刀具组成。它们经组合后可以完成钻孔、扩孔、铰孔、镗孔、攻螺纹等加工工艺。连接主轴刀柄与主轴孔一般是锥度为 7∶24 的锥面。镗铣类工具系统分为整体式结构和模块式结构两大类。

(1) 整体式结构它的特点是将锥柄和接杆连成一体，不同品种和规格的工作部分都必须带有与机床相连的柄部，如图 1.21 所示。其优

点是结构简单，使用方便、可靠，更换迅速等。我国 TSG工具系统就属于整体式结构的工具系统。如图 1.22 所示是 TSG工具系统，选用时一定要按图示进行配置。不同结构、尺寸的工具用不同的代码表示。

(2) 模块式结构镗铣类模块式工具系统是把整体式刀具分解成柄部 ( 主柄模块 ) 、中间连接块 (连接模块 ) 、工作头部 ( 工作模块 )三个

主要部分，然后通过各种连接结构，在保证刀杆连接精度、强度、刚性的前提下，将这三部分连接成整体，如图 1.23所示。

这种工具系统可以用不同规格的中间连接块，组成各种用途的模块工具系统，既灵活、方便，又大大减少了工具的储备。我国生产的 TMG10、 TMG21 工具系统就属于模块式结构工具系统，该工具系统应用广泛，是加工中心使用的基本工具。

数控车削工具系统的构成和结构，与机床刀架的形式、刀具类型及刀具是否需要动力驱动等因素有关。数控车床常采用立式或卧式转塔刀架作为刀库，刀库容量一般为 4～ 8 把刀具，常按加工工艺顺序布置，由程序控制实现自动换刀。其特点是结构简单，换刀快速，每次换刀仅需 l～ 2s。如图 1.24 所示为数控车削加工用工具系统的一般结构体系。德国DIN 69880工具系统属于此类系统。



图 1.21 整体式数控刀具结构



图 1.22 TSG 工具系统



图 1.23 模块式工具系统的组成



图 1.24 数控车削加工工具系统的一般结构体系


1.5 1.5 夹具及对刀工具简介夹具及对刀工具简介

1.5.1 数控机床的夹具 1.5.2 数控机床的对刀工具


1.5 1.5 夹具及对刀工具简介夹具及对刀工具简介

数控机床的高精度、高速度、高柔性的加工特点，对夹具、对刀等辅助加工工具及方法也有较高的要求。目前，已经形成了一些组合、高精密、多功能的夹具以及数控机床上专用的一些对刀工具。


1.5.1 1.5.1 数控机床的夹具数控机床的夹具 1. 夹具的类型夹具是由定位元件、夹紧装置、连接元件、对刀或导向元件、夹具体、

其他装置等组成的。按其通用性可分为通用夹具和专用夹具。按其动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、磁力夹具等。按其使用机床可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、磨床夹具等。


1.5.1 1.5.1 数控机床的夹具数控机床的夹具 2. 数控加工夹具的特点作为机床夹具，首先要满足机械加工时对工件的装夹要求。同时，数控加工的夹具还有它

本身的特点。 (1) 数控加工适用于多品种、中小批量生产，为了能够装夹不同尺寸、不同形状的多品种工件，数控加工的夹具应具有柔性，即经过适当调整就可以夹持多种形状和尺寸的工件。

(2) 传统的专用夹具具有定位、夹紧、导向和对刀四种功能，而数控机床上一般都配备有接触试测头、刀具预调仪及对刀部件等设备，可以由机床解决对刀问题。

(3) 为适应数控加工的高效率，从结构上要力求装卸工件迅速方便，同时，数控加工夹具应尽可能使用气动、液压、电动等自动夹紧装置快速夹紧，以缩短辅助时间。

(4) 夹具本身应有足够的刚度，以适应大切削用量切削。 (5) 为适应数控多面加工，要避免夹具结构包括夹具上的组件对刀具运动轨迹的干涉，

夹具结构不要妨碍刀具对工件各部位的多面加工。 (6) 夹具的定位要可靠，定位元件应具有较高的定位精度，定位部位应便于清屑，无

切屑积留。以满足数控加工的精度要求和安全生产。 (7) 对刚度小的工件，应保证最小的夹紧变形，如使夹紧点靠近支承点，避免把夹紧

力作用在工件的中空区域等。 (8) 尽可能在一次装夹中进行多个表面的多工序加工，减少零件的重新装夹次数。


1.5.2 1.5.2 数控机床的对刀工具数控机床的对刀工具

数控加工中，应首先确定零件的加工原点，以建立准确的加工坐标系，同时也要考虑刀具的不同尺寸对加工的影响。这些都需要通过对刀来解决。常用的对刀设备有：刀具预调仪、对刀器等。


1.6 1.6 数控加工技术的发展数控加工技术的发展

1.6.1 数控系统的发展 1.6.2 数控机床的发展


1.6 1.6 数控加工技术的发展数控加工技术的发展 20世纪中期，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越大，迫切需要一种精度高、柔性好的数控加工设备来满足上述需求。同时，电子技术和计算机技术的飞速发展为数控机床的进步提供了坚实的技术基础。数控加工技术正是在这种背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动化技术的发展。

数控加工技术的发展可以分为数控系统的发展和数控机床的发展两个方面。


1.6.1 1.6.1 数控系统的发展数控系统的发展从 1952年第一台试验性数控系统问世，至今已有 50多年的历史，计算

机数控 (CNC)从 20世纪 70年代中期出现，到现在也已有 20多年了。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式——小规模集成电路式——大规模集成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数控系统。

目前，一个高性能的数控系统已经具有以下特性和功能：友好的、开放的人机界面；动态图形仿真功能；提供多轴多通道功能； NURBS插补功能；子程序、宏、固定循环功能；刀具长度、半径补偿功能；加工过程中速度修调功能；加工断点保护 /设置功能；刀具智能管理功能；刀具破损监控功能；在线诊断功能；在线帮助功能。随着科技的发展，这些功能正日趋完善和提高。


1.6.2 1.6.2 数控机床的发展数控机床的发展 1948年，美国帕森斯公司开始研究数控机床， 1952年，美国麻省理工学院 (MIT)伺服机构实验室成功研制出第一台数控铣床。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。我国于 1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子数控系统的数控机床， 1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，目前的数控机床已经在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。


1.7 1.7 实训实训 1. 实训目的： (1) 了解数控车床、铣床的基本结构。 (2) 通过对典型零件的加工演示，了解数控车床、数控铣

床加工的基本方法和过程。 2. 实训设备：数控车床、数控铣床。 3. 实训内容： (1) 介绍数控车床、数控铣床的基本组成及功用。 (2) 观察数控车床、数控铣床的零件加工过程及典型样件。


1.8 1.8 习题习题填空题 (1) 数控机床的进给伺服系统分为 ________、 ________和 ________三类。

(2) 数控铣床上加工平面类零件中，需联动的坐标轴数为 ________。 (3) 进给伺服系统用于控制 ________，主轴伺服系统用于控制 ________。

(4) 从结构上来分，自动换刀装置的形式有 ________、 ________、________。

(5) 刀库式自动换刀装置中，刀具的换刀方式有 ________和 ________。

(6) 目前数控机床应用的最普遍的刀具材料是 ________。


1.8 1.8 习题习题选择题 (1) 数控机床进给系统减少摩擦阻力和动静摩擦之差，是为了提高数控机床进给系统

的 ( ) 。 A. 传动精度 B. 运动精度和刚度 C. 快速响应性能和运动精度 D. 传动精度和刚度 (2) 开环控制系统用于 ( ) 数控机床上。 A. 经济型 B. 中、高档 C. 精密 (3) 加工中心与数控铣床的主要区别是 ( ) 。 A. 数控系统复杂程度不同 B. 机床精度不同 C. 有无自动换刀系统 (4) 数控机床加工依赖于各种 ( ) 。 A. 位置数据 B. 模拟量信息 C. 准备功能 D. 数字化信息 (5) 数控机床的核心是 ( ) 。 A. 伺服系统 B. 数控系统 C. 反馈系统 D. 传动系统


1.8 1.8 习题习题判断题 (1) 用数显技术改造后的机床就是数控机床。 ( ) (2) 不同的数控机床可能选用不同的数控系统，但数控加工程序指令都是相同的。

( ) (3) 在开环和半闭环数控机床上，定位精度主要取决于进给丝杠的精度。 ( ) (4) 点位控制系统不仅要控制从一点到另一点的准确定位，还要控制从一点到另一点

的路径。( )

(5) 车削中心必须配备动力刀架。 ( ) (6) 伺服系统的执行机构常采用直流或交流伺服电动机。 ( )


1.8 1.8 习题习题

简答题 (1) 简述数控加工的优点。 (2) 数控机床的组成部分和各部分的基本功能是什么？ (3) 叙述数控机床加工工件的基本过程。 (4) 试述闭环数控机床的控制原理，它与开环数控机床的差异。

(5) 数控机床的发展趋势，主要表现在哪些方面？


1.8 1.8 习题习题

实作题 (1) 自动换刀装置的刀库的形式有哪几种？各有何应用场合和特点？

(2) 交 (直 )流伺服电机是否可以作为开环进给伺服系统的伺服驱动装置？为什么？


Q & A?Q & A?

Thanks!Thanks!

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第 1 章 数控加工系统

第 1 章数控加工系统